Устройство для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники. Технический результат, достигаемый от осуществления изобретения - расширение области применения при одновременном увеличении точности измерения уровня и упрощении конструкции. Устройство содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты на транзисторе, измерительную схему, содержащую предварительный усилитель на транзисторе, усилитель на транзисторе, емкостные электроды, включенные в измерительную схему, диоды, измерительный прибор, источник питания, диодный стабилизатор напряжения. В качестве емкостных электродов использованы два медных электрода, выполненных из ленты, прутка, трубки или другого профиля. Устройство содержит усилитель постоянного тока, выполненный на составном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), а также диоды, включенные последовательно, при этом диоды включены в обратном направлении. Вывод одного диода соединен с выводом емкостного электрода, вывод второго диода «заземлен». Вывод одного емкостного электрода соединен с коллектором транзистора усилителя измерительной схемы, вывод второго емкостного электрода соединен с катодом первого диода и анодом второго диода, анод первого диода «заземлен», катод второго диода через переключатель и сопротивление соединен с базой составного транзистора эмиттерного повторителя, между эмиттером которого и «землей» включены последовательно сопротивление и диод в прямом направлении. Эмиттер составного транзистора эмиттерного повторителя через сопротивление соединен с выводом измерительного прибора, второй вывод которого «заземлен», коллектор составного транзистора эмиттерного повторителя соединен с источником питания. 1 ил.

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в различных отраслях промышленности для измерения уровня жидких масел, в частности, находящихся в непрозрачных емкостях.

Из уровня техники известен электронный влагомер почвы, описанный в SU 214154, МПК⁶ G01N 27/04, G01N 27/22, опубл. 1966. Известное устройство содержит самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, емкостный датчик, диодные выпрямители, измерительный прибор, источник питания. В качестве измерительной схемы служит резонансный измерительный контур с индуктивностью и емкостным датчиком, содержащим изолированные электроды. Параметры резонансного контура подобраны так, что зависимость между изменением емкости и изменением амплитуды высокочастотного напряжения на контуре близка к линейной. При заполнении датчика влажным испытуемым материалом частота контура уменьшается, приближаясь к частоте питающего контур генератора, в результате чего величина резонансного напряжения на контуре возрастает пропорционально влажности материала и после выпрямления диодными выпрямителями определяется стрелочным индикатором, показывающим величину влажности вещества.

Недостатком известного электронного влагомера является узкая область использования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, т.е. прототипом, является устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, описанное в патенте RU 2463565, МПК G01F 23/26, опубл. 2012. Согласно описанию известное устройство содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, датчик с емкостными электродами, причем электроды выполнены в виде катушек индуктивности и изолированы от внешней среды покрытием, диоды, источник питания, диодный стабилизатор напряжения, усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторах, световой индикатор, выполненный на светодиоде, включенном в коллектор транзистора усилителя постоянного тока. При поступлении в технологическую емкость жидкого масла электроды датчика, установленные в верхней части технологической емкости, оказываются погруженными в жидкое масло и образуют некоторый конденсатор с находящимся между электродами жидким маслом. Через емкостные электроды протекает ток заряда конденсатора, который через диод, включенный в прямом направлении, поступает на вход усилителя постоянного тока. Включается световой индикатор, сигнализирующий о предельном уровне жидкого масла, находящегося в технологической емкости.

Недостатком известного устройства, принятого в качестве прототипа заявляемого изобретения, является его узкая область использования.

Настоящее изобретение направлено на исключение вышеперечисленного недостатка, а именно на расширение области использования известного устройства путем обеспечения возможности измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, например моторного масла, при одновременном увеличении точности измерения уровня и упрощении конструкции устройства.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, содержащее электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, емкостные электроды, включенные в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, диоды, а также диод, включенный в измерительную схему в обратом направлении и соединенный с коллектором и базой транзистора усилителя измерительной схемы, усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторах, измерительный прибор, источник питания и диодный стабилизатор напряжения, включенный в источник питания и выполненный в обычном (обратом) направлении диодов, согласно предлагаемому изобретению в качестве емкостных электродов использованы два медных электрода, выполненных из ленты, прутка, трубки или другого профиля, усилитель постоянного тока выполнен на составном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Другое отличие предлагаемого устройства состоит в том, что оно дополнительно содержит два диода, включенных последовательно, причем диоды включены в обратном направлении, вывод одного диода соединен с выводом емкостного электрода, вывод второго диода «заземлен», вывод этого же емкостного электрода соединен с коллектором транзистора усилителя измерительной схемы, вывод второго емкостного электрода соединен с катодом одного и анодом второю диода, анод первого диода «заземлен», катод второго диода через переключатель и сопротивление соединен с базой составного транзистора эмиттерного повторителя, между эмиттером которого и «землей» включены последовательно сопротивление и диод в прямом направлении, эмиттер составного транзистора эмиттерного повторителя через сопротивление соединен с выводом измерительного прибора, второй вывод которого «заземлен», коллектор составного транзистора эмиттерного повторителя соединен с источником питания.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, отличается наличием новых элементов, их формой выполнения, взаимным расположением, наличием связей между элементами.

Проведенный патентный поиск показал, что в настоящее время неизвестно устройство для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, обладающее такой же совокупностью существенных признаков, что и предлагаемое. Таким образом, заявляемая конструкция соответствует критерию изобретения "новизна".

При изучении уровня техники, известного в данной области, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию изобретения «изобретательский уровень».

Предлагаемое изобретение схематически поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях.

Устройство для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты на транзисторе (на схеме не показан), измерительную схему, содержащую предварительный усилитель на транзисторе 1, усилитель на транзисторе 2, емкостные электроды, включенные в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, диоды 3, 4, содержит диод 5, включенный в измерительную схему, причем диод включен в обратном направлении, соединен с коллектором и базой транзистора усилителя измерительной схемы, измерительный прибор 6, источник 7 питания, диодный стабилизатор 8 напряжения, включенный в источник 7 питания. В качестве емкостных электродов использованы медные электроды 9, 10, выполненные из ленты, прутка, трубки или другого профиля. Устройство содержит усилитель постоянного тока, выполненный на составном транзисторе 11, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Устройство для измерения уровня жидких масел содержит также два диода 12, 13, включенные последовательно, причем диоды включены в обратном направлении, вывод диода 12 соединен с выводом емкостного электрода 9, вывод второго диода 13 «заземлен». Вывод емкостного электрода 9 соединен с коллектором транзистора 2 усилителя измерительной схемы.

Вывод емкостного электрода 10 соединен с катодом диода 3 и анодом диода 4, анод диода 3 «заземлен», а катод диода 4 через переключатель 14 и сопротивление 15 соединен с базой составного транзистора 11 эмиттерного повторителя, между эмиттером которого и «землей» включены последовательно сопротивление 16 и диод 17 в прямом направлении. Эмиттер составного транзистора 11 эмиттерного повторителя через сопротивление 18 соединен с выводом измерительного прибора 6, второй вывод которого «заземлен». Коллектор составного транзистора 11 эмиттерного повторителя соединен с источником 7 питания. Сопротивление 19 соединено с базой транзистора 1 предварительного усилителя измерительной схемы и через потенциометр 20 с источником 7 питания. Коллектор транзистора 1 предварительного усилителя через сопротивление 21 и потенциометр 20 соединен с источником 7 питания, а через емкость 22 соединен с базой транзистора 2 усилителя измерительной схемы. Эмиттер транзистора 1 предварительного усилителя измерительной схемы и эмиттер транзистора 2 усилителя измерительной схемы «заземлены». Сопротивление 23 соединено с коллектором и базой транзистора 2 усилителя измерительной схемы параллельно диоду 5. Коллектор транзистора 2 усилителя измерительной схемы через сопротивление 24 и потенциометр 20 соединен с источником 7 питания.

Вывод измерительного прибора 6 через сопротивление 25 и потенциометр 26 соединен с источником 7 питания. Для проверки работы устройства в нем предусмотрено подключение контрольной емкости 27.

Предварительный усилитель измерительной схемы на транзисторе 1 уменьшает влияние транзистора 2 усилителя измерительной схемы на работу кварцевого генератора, выполненного на транзисторе.

Заявляемое устройство для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, работает следующим образом.

При поступлении в технологическую емкость жидкого масла, например моторного, электроды датчика оказываются погруженными в жидкое масло. При отсутствии положительного сигнала в базе транзистора 2 усилителя измерительной схемы последний закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор велико и электрод 9 отсоединен от «земли». Электроды 9, 10 представляют собой металлические электроды с жидким маслом между ними, изолированные от жидкого масла, образуют конденсатор с некоторой емкостью, величина которой зависит от диэлектрической проницаемости жидкого моторного масла. Под действием напряжения источника 7 питания емкость конденсатора заряжается через потенциометр 20, сопротивление 24, диод 4, переключатель 14, установленный в положение «Измерение», сопротивление 15, база-эмиттер составного транзистора 11, сопротивление 16, диод 17.

По цепи течет ток заряда конденсатора:

$$I=\frac{Q}{T}=CUf$$

где I - ток заряда электрической емкости C конденсатора, А;

Q - заряд на обкладках конденсатора с емкостью C, К;

U - напряжение на обкладках конденсатора, В;

T - период следования импульсов, с;

f - частота следования импульсов, Гц;

C - электрическая емкость конденсатора, Ф.

Емкость конденсатора определяется из соотношения

$$C=\frac{\epsilon S}{4\pi d}$$

где C - емкость, Пф;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды;

S - площадь обкладок конденсатора, см²;

d - расстояние между обкладками, см.

Ток заряда конденсатора образует в базе составного транзистора 11 напряжение, под действием которого транзистор 11 открывается, по нему течет ток эмиттера. Составной транзистор 11 включен по схеме с общим коллектором и обладает большим входным сопротивлением. Выходное сопротивление транзистора 2 усилителя измерительной схемы также большое, что позволяет произвести согласование измерительной цепи. Сопротивление 16 и последовательно включенный с ним диод 17 образуют общее сопротивление, на котором возникает некоторое напряжение при протекании тока эмиттера. Это напряжение через сопротивление 18 подается на вывод измерительного прибора 6, под действием которого через измерительный прибор 6 протекает ток, определяющий уровень жидкого масла.

При поступлении с выхода кварцевого генератора положительного импульса в базу транзистора 2 последний открывается, по нему протекает ток коллектора, и электрод 9 соединяется с «землей». Происходит разряд электрической емкости С, образованной емкостными электродами 9, 10 датчика с жидким моторным маслом между ними, изолированными от жидкого масла, через открытый транзистор 2 и диод 3.

На вывод измерительного прибора 6 подается через сопротивление 25 и потенциометр 26 напряжение противоположного знака. В режиме «Измерение» потенциометром 26 производится установка нуля измерительного прибора 6 при отсутствии в технологической емкости жидкого масла. В режиме «Контроль» производится подключение емкости 27 и стрелка измерительного прибора 6 устанавливается потенциометром 20 на контрольное деление. Емкостные электроды 9, 10 соединяются с устройством посредством кабеля.

При изменении температуры жидкого масла и температуры окружающей среды, например, повышении, ток заряда емкости электродов с находящимся между ними жидким маслом, изолированных от масла, уменьшается, т.к. диэлектрическая проницаемость жидкого масла при повышении температуры уменьшается (Р.А. Липштейн, М.И.Шахнович. Трансформаторное масло. Изд. 3-е, переработанное и дополненное. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.171).

Напряжение заряда электрической емкости электродов 9, 10 увеличивается при повышении температуры, т.к. диоды 12, 13 включены в обратном направлении и имеют положительный температурный коэффициент напряжения (Р.М. Малинин. Справочник по транзисторным схемам. - М.: Энергия, 1968, с.152-153), при этом ток заряда емкости электродов с находящимся между ними жидким маслом, изолированных от масла, увеличивается. Происходит компенсация уменьшения тока заряда емкости электродов, обусловленного повышением температуры жидкого масла. При понижении температуры жидкого масла, температуры окружающей среды явления протекают в обратном направлении.

При повышении окружающей температуры ток эмиттера составного транзистора 11 эмиттерного повторителя увеличивается, при этом увеличивается падение напряжения на эмиттерном сопротивлении. На диоде 17 при повышении окружающей температуры напряжение уменьшится, т.к. диод, включенный в прямом направлении, имеет отрицательный температурный коэффициент напряжения. Происходит компенсация увеличения падения напряжения на эмиттерном сопротивлении составного транзистора 11 эмиттерного повторителя, обусловленного повышением окружающей температуры. При понижении температуры окружающей среды схема работает в обратном направлении.

По схеме заявляемого устройства для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, был изготовлен опытный образец и проведены лабораторные испытания. При испытаниях использовалось моторное масло 10W-40. Испытания показали надежную работу устройства и высокую точность измерения уровня жидких масел.

Предлагаемое изобретение позволяет исключить имеющийся недостаток известного устройства по патенту RU 2463565, МПК G01F 23/26, опубл. 2012, выбранного в качестве прототипа, а именно расширить область применения, т.к. обеспечивает измерение с высокой точностью уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, а также упрощает его конструкцию.

Таким образом, все вышеизложенное доказывает, что совокупность отличительных от прототипа признаков обеспечивает возможность использования заявляемого технического решения для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, т.е. оно соответствует критерию изобретения "промышленная применимость".

Устройство для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, содержащее электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, выполненную на двух транзисторах, составляющих предварительный усилитель и усилитель, при этом в измерительную схему включены сопротивления, емкость и контрольная емкость, емкостные электроды, включенные в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, диоды, а также диод и параллельно включенное сопротивление, причем диод включен в обратном направлении, диод и сопротивление соединены с коллектором и базой транзистора усилителя измерительной схемы, переключатель, усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторах, измерительный прибор, источник питания, имеющий два напряжения противоположного знака с включенными потенциометрами, при этом каждый потенциометр соединен соответственно с источником питания, диодный стабилизатор напряжения, включенный в источник питания и выполненный в обычном (обратном) направлении диода, а база транзистора предварительного усилителя измерительной схемы через сопротивление и потенциометр соединена с источником питания, коллектор транзистора предварительного усилителя через сопротивление и потенциометр соединен с источником питания, а через емкость соединен с базой транзистора усилителя измерительной схемы, эмиттер транзистора предварительного усилителя измерительной схемы и эмиттер транзистора усилителя измерительной схемы «заземлены», коллектор транзистора усилителя измерительной схемы через сопротивление и потенциометр соединен с источником питания, отличающееся тем, что в качестве емкостных электродов использованы два медных электрода, выполненных из ленты, прутка, трубки или другого профиля, усилитель постоянного тока выполнен на составном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), устройство дополнительно содержит два диода, включенных последовательно, причем диоды включены в обратном направлении, вывод одного диода соединен с выводом емкостного электрода, вывод второго диода «заземлен», вывод этого же емкостного электрода соединен с коллектором транзистора усилителя измерительной схемы, вывод второго емкостного электрода соединен с катодом одного и анодом второго диода, анод первого диода «заземлен», катод второго диода через переключатель и сопротивление соединен с базой составного транзистора эмиттерного повторителя, между эмиттером которого и «землей» включены последовательно сопротивление и диод в прямом направлении, эмиттер составного транзистора эмиттерного повторителя через сопротивление соединен с выводом измерительного прибора, второй вывод которого «заземлен», коллектор составного транзистора эмиттерного повторителя соединен с источником питания, вывод измерительного прибора через сопротивление и потенциометр соединен с источником питания.